双通道镶块涡流室柴油机掺烧生物柴油综合性能研究

袁文华，李红，吴浩，马传武，马仪

(邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳，422000)

双通道镶块涡流室柴油机掺烧生物柴油综合性能研究

袁文华，李红，吴浩，马传武，马仪

(邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳，422000)

双通道镶块结构在一定程度上提升了涡流室柴油机的性能，在该结构基础上掺烧生物柴油，探究双通道镶块涡流室柴油机掺烧生物柴油的综合性能。通过发动机台架试验得到了双通道镶块涡流室柴油机掺烧生物柴油时的各项性能指标，分析生物柴油掺烧比对双通道镶块涡流室柴油机性能的影响规律。试验得出：掺烧生物柴油会降低发动机的最大输出功率，降幅随掺烧比增加而增大，掺烧比低于30%时对发动机动力性能影响较小：掺烧生物柴油会增加燃油消耗率，但部分工况下的等效燃油消耗率有所降低：掺烧生物柴油有利于碳烟、HC、CO的排放控制，但掺烧比大于20%时会导致NOX排放增加。

双通道镶块；生物柴油；掺烧比；等效燃油消耗率；碳烟

目前，小型风冷涡流室式柴油机在农机、小型工程机械、小型船舶等领域均具有广泛应用，针对其性能的研究主要集中在燃烧系统结构改进上，现有研究表明[1-4]：连接通道对涡流室燃烧系统的改善具有重要影响。日本的小松原一通过三维模拟计算的方法进行了涡流室内空气流场分析，初次认识到连接通道对涡流室内的空气流场具有重大影响[1]。三菱公司提出了不同角度两段连接通道相结合的设计，使通道流量和气流运动得到了改善[2]。唐智、熊锐等人研究了不同角度连接通道对燃烧系统的影响[3]。朱广圣结合了连接通道的位置和角度进行了相关研究[4]。马仪、袁文华对小型风冷柴油机镶块双通道倾角对涡流特性的影响进行了相关研究[5]，提出了一种双通道镶块结构，将涡流室式发动内燃料分布的均匀性,使发动机各项性能均得到一定程度的改善[6]。然而，单纯从燃烧室结构方面对小型风冷柴油机的性能的改善作用毕竟有限，考虑到作为发动机主要燃料来源的石油资源已经日渐枯竭，“酸雨”、“温室效应”、“光化学烟雾”等环保问题也越来越严重，因此，本文提出将新型替代能源与双通道镶块结构相结合来进一步改善发动机性能的研究思路。

目前，生物柴油在柴油机上的应用主要以掺烧为主，国内外就柴油机掺烧生物柴油进行了大量研究[7,8,13,21]，研究发现，生物柴油掺烧比对于柴油机性能具有重要影响，当生物柴油掺烧比较高时会导致发动机功率降低及燃油消耗率的升高，当掺烧比不超过40%时柴油机具有较好的性能表现，因此，目前对于生物柴油的应用与研究都以小掺烧比为主，本研究在设定试验组时也以小掺烧比为主。

综合以上，确定了基于双通道镶块涡流室式柴油机结构掺烧生物柴油的研究方向，通过研究双通道镶块涡流室式柴油机掺烧生物柴油的综合性能，探究掺烧特性并确定掺烧方案。

1 试验设计

1.1 试验设备

试验所用发动机技术参数见表1，燃烧室结构为双通道镶块涡流室，镶块材料为耐高温、耐腐蚀、耐摩擦的细结构模压石墨，以40°倾斜角为基础，将双通道设计为扩张角为10°的缩口通道A和扩张角为5°的扩口通道B[6],具体结构特征见图1、2。

该双通道结构有利于加强涡流室与主燃烧室之间的气流运动，在压缩行程时，气流从主燃烧室压入涡流室，缩口通道B可增大气体的流速，扩口通道A可保证气体流通量并增大涡流强度。在做功行程时，气体膨胀做功，从涡流室进入主燃烧室，缩口通道A可增大气流速度，扩口通道B起辅助流通的作用[6]。马仪等通过数值仿真与试验的方法验证了该双通道镶块结构对发动机综合性能均有所改善。

研究涉及其他试验设备包括：FC2000发动机测控系统、油耗-转速测量仪、测功机、NHT-6型不透光度计、废气分析仪。

表1 发动机主要技术参数

1.主燃烧室 2.缸盖 3.喷油器 4.涡流室 5.连接通道A 6.连接通道B 7.启动孔图1 双通道镶块涡流式燃烧室结构Fig.1 The structure of two-channel insert block swirl chamber

5.启动孔 6.连接通道B 7.连接通道A图2 双通道镶块结构Fig.2 Schematic diagram of the two-channel insert block

1.2 试验燃料

试验所用石化柴油为国Ⅲ的0#柴油，生物柴油是以地沟油为原料所加工生产，其主要性能指标如表2所示。生物柴油具有近似于石化柴油的理化特性，两者具有较好的互溶性，可实现任意比例的混合。根据现有研究了解，在对发动机结构不做任何改变的条件下，发动机在小范围掺烧生物柴油时具有更好的性能表现，故试验确定了B0、B10、B20、B30、B40、B100(B后面的数字表示生物柴油在混合燃油中的百分数比例)六个试验组。

1.3 试验方案

按照体积比将石化柴油和生物柴油按试验组所需进行混合,充分搅拌15min使其混合均匀，试验前先将发动机预热30min，为减小试验误差，每组试验均进行五次，对试验结果进行格拉布斯检验后剔除异常值，并对剩余数据取平均值，当异常数据超过2个时，对试验仪器进行校正后重新测量。在变换试验组时,先排空发动机及油管余油,清洗油路，再加入新一组试验燃油，避免出现掺混，影响试验结果。

表2 生物柴油与石化柴油理化性能指标

2 试验结果及分析

2.1 掺烧比对发动机动力性影响

在双通道镶块涡流室式柴油机上掺烧生物柴油时的功率外特性曲线见图3。

图3 发动机功率外特性曲线Fig.3 The external characteristic cure of power

试验结果显示,掺烧生物柴油会导致发动机输出功率有所降低，且降幅随掺烧比的增加逐渐明显。在低掺烧比范围时(B10、B20、B30)发动机输出功率相比于B0在各转速下的降幅均较小,整体范围不超过2.6%，在发动机较低时，B10的发动机输出功率略高于B0。当生物柴油掺烧比超过30%时，发动机输出功率在各转速下的降幅都较为显著,B40、B100相较于B0的发动机输出功率最大降幅分别为4.8%、9.7%。

在发动机低转速时，燃烧室内的涡流强度较低，燃料混合质量下降，当燃料燃烧不充分时，发动机功率受燃料低热值的影响很小，且生物柴油中的氧元素有一定的燃烧改善作用[9]，因此，在转速低于1200r/min时，掺烧生物柴油时的发动机功率与燃烧纯柴油时相当，B10的发动机功率略高于B0。

2.2 掺烧比对发动机经济性影响

在双通道镶块涡流室式柴油机上掺烧生物柴油时的有效燃油消耗率外特性曲线、等效燃油消耗率外特性曲线见图4、5。

图4 发动机有效燃油消耗率外特性曲线Fig.4 The external characteristic cure of effective specific fuel consumption

试验结果显示，随着转速的变化，发动机燃用各掺烧比燃料的有效燃油消耗率变化趋势基本一致，都随着转速的升高先降低再增加。掺烧生物柴油会导致发动机有效燃油消耗率升高，掺烧比对有效燃油消耗率的影响主要反应在发动机中高转速区，在标定转速时B10、B20、B30、B40、B100相较于B0的有效燃油消耗率增幅分别为2.44%、4.99%、5.46%、6.81%、18.75%。低转速区时，各组掺烧比燃料的有效燃油消耗率差异较小，掺烧生物柴油时的有效燃油消耗率增加幅度不超过5%，在转速低于1200r/min时，B10的有效燃油消耗率略低于B0。整体上看，只有当掺烧比超过40%时，才会导致发动机有效燃油消耗率有明显的增加。

掺烧生物柴油导致有效燃油消耗率的增加主要是由生物柴油理化特性决定的,生物柴油的密度大于石化柴油而其低热值却更小,所以在输出相同功率时需要消耗的燃料更多。但是，生物柴油中有10%左右的氧含量，会在一定程度上起到改善燃烧的作用，所以低掺烧比混合燃料在某些工况下的有效燃油消耗率反而低于石化柴油[10]。

比较发动机的有效燃油消耗率只单一的反应了燃油量的消耗情况，对于评定燃料的综合应用性效果并不佳。目前,替代能源评定的一项有效手段是燃料生命周期评定[11]，胡志远、谭丕强等已经做了重要研究，该评定方法过于复杂，本研究从能量消耗的角度进行燃料性能评定，利用燃料低热值将燃油消耗率转换为等效燃油消耗率，即表征了生物柴油掺烧比对燃料消耗的影响情况，又间接反应了燃料燃烧的热效率。转换公式如下：

等效燃油消耗率=燃油消耗率×

图5 发动机等效燃油消耗率外特性曲线Fig.5 The external characteristic cure of equivalent fuel consumption

由图5可知，在整个转速范围内，掺烧生物柴油时的等效燃油油耗率相较于有效燃油消耗率更接近于B0，当掺烧比低于40%时，有效燃油消耗率变化范围在-1%～5%，在低转速区，掺烧生物柴油时的等效燃油消耗率低于B0。这是因为低转速时发动机缸内温度低,混合气空燃比较小，燃烧效率差，生物柴油的自供氧能力对发动机的燃烧的改善作用显著[12]，所以掺烧生物柴油时的等效燃油消耗率更低。随着发动机转速的升高，燃料的混合时间也逐渐缩短。由于生物柴油的十六烷值较高，芳香烃含量低，其燃烧前的物理和化学准备时间较短，从而使得可燃混合气的形成量减少[13]，M.Pilch的临界weber数经验公式表明，较高的粘度及表面张力会导致燃料的滴液难以破碎，从而使得燃料的蒸发性下降，生物柴油较高的粘度计表明张力使得其燃料雾化蒸发的效果较差，燃烧放热率低，因此掺烧生物柴油时的等效燃油消耗率高于比纯柴油[14、21、22]。

2.3 掺烧比对发动机排放性影响

2.3.1 烟度

在标定转速2600r/min时，双通道镶块涡流室式柴油机上掺烧生物柴油的排放烟度负荷特性见图6，试验采用NHT-6型不透光烟度计进行排气烟度的测量，并且以排气的吸光系数K作为排放烟度的评定指标。

图6 发动机排放烟度负荷特性曲线Fig.6 The load characteristic cure of smoke emission

试验结果显示,在中低负荷时各掺烧比燃料燃烧时的排放烟度都较低，B0的排放烟度略高于掺烧生物柴油的混合燃料。随着负荷的增加，各组燃料燃烧时的排放烟度均逐渐升高，掺烧生物柴油对于排放烟度的控制作用逐渐明显。在大负荷工况时,掺烧生物柴油时的发动机排放烟度显著降低，掺烧比越大排放烟度值的降幅越明显，B100相较于B0的排放烟度降幅超过50%。

发动机排气碳烟主要在燃烧温度高于500K，过量空气系数小于0.6的高温缺氧环境下产生，Frenklach和Wang的理论认为，PAH是碳烟soot生成的先导物，而富氧状态下大量生成的乙炔C2H2则是PAH生成的先导物[15]，所以燃料中的C/H值越小，燃烧产生排放烟度越低。生物柴油是一种芳香烃含量极低而烷烃含量较高的燃料，相较于石化柴油，生物柴油的C/H值要低得多，所以生物柴油的燃料化学成分更有利于碳烟的排放控制[16]。此外，生物柴油的自供氧能力对于局部缺氧的缓解[17]，以及高汽化潜热对于燃烧温度的降低，都有利于生物柴油的排放烟度控制。

2.3.2 NOX排放

在标定转速2600r/min时，双通道镶块涡流室式柴油机上掺烧生物柴油的NOX排放负荷特性见图7。

图7 发动机NOX排放负荷特性Fig.7 The load characteristic cure of NOX emission

试验结果显示，发动机在中小负荷时的NOX排放量均处于较低水平，NOX的排放量随负荷的增大逐渐升高，掺烧生物柴油对发动机NOX排放影响主要反应在中高负荷范围。当小掺烧比小于20%时，发动机的NOX排放量与B0基本相当，在某些工况甚至有小幅度的降低，B10、B20相比较于B0的NOX排放量变化范围为-3%～4%。当掺烧比范围超过20%时，NOX排放在各工况下均高于B0，但整体增幅在10%以内。

NOX产生于燃烧温度高于2300k的富氧环境，主要集中在大负荷工况，负荷越大，NOX排放量越高。在小范围掺烧时，受生物柴油高汽化潜热的影响，燃烧时的缸内平均温度降低，根据扩展的Zeldovitch机理[18],NOX的生成量随温度呈指数递增，所以小掺烧比在某些工况下的NOX排放量甚至低于B0[19]。在大范围掺烧时，生物柴油的自供氧能力会促进NOX的产生，此外，生物柴油的高十六烷值会使着火时刻提前，着火落后期缩短，更早达到NOX的触发温度[20]，进一步导致掺烧生物柴油时发动机的NOX排放量升高。

2.3.3 CO排放

在标定转速2600r/min时，双通道镶块涡流室式柴油机上掺烧生物柴油的CO排放情况见图8。

图8 发动机CO排放负荷特性Fig.8 The load characteristic cure of CO emission

CO的生成主要是由于碳氢燃料的不完全燃烧。试验结果表明，在小负荷时，掺烧生物柴油时的CO排放量较B0有小幅度的增加,随着负荷的进一步增加，CO排放量会逐渐低于B0，CO的最高降幅可达40%。在小负荷工况时，发动机的燃烧温度较低，生物柴油较高的汽化潜热，会在燃料雾化蒸发时吸收大量的热，造成燃烧室内淬冷层加厚[21],同时，高黏度导致燃油喷射时大量生物柴油堆积在燃烧室壁面，影响燃油蒸发效果，最终导致CO排量略高于B0[22]。在大负荷工作状况时,发动机气缸内的工作温度逐渐升高，受汽化潜热的影响逐渐减弱，生物柴油中含氧燃料的优点开始占据主要影响，氧元素对燃烧产生正向推动作用，从而降低了CO的排放量，所以大负荷时掺烧生物柴油的CO低于B0。

2.3.4 HC排放

在标定转速2600r/min时，双通道镶块涡流室式柴油机上掺烧生物柴油的HC排放量如图9所示。

图9 发动机的HC排放负荷特性Fig.9The load characteristic cure of HC emission

从试验结果可以看出，掺烧生物柴油时的发动机HC排放量有所降低。发动机尾气排放中的HC主要由燃料中未燃的碳氢化合物以及部分氧化的碳氢化合物组成，其产生的原因是燃气的不充分燃烧[23]。由于生物柴油中的芳香烃含量极低，燃料燃烧时的滞燃期较短，有利于降低发动机的HC排放量[24]。同时，生物柴油的十六烷值较高燃料着火性好，燃烧更充分，促进了HC的燃烧与裂解，因此，在掺烧生物柴油时发动机的HC排放量降低。

3 结论

1)掺烧生物柴油会在一定程度上降低发动机的最大输出功率，掺烧比越大,功率降低越明显。在生物柴油掺烧比超过30%时，才会造成发动机输出功率降低导致动力不足的现象，因此，从发动机动力性考虑，可掺烧不超过30%的生物柴油。

2)掺烧生物柴油时的有效燃油消耗率有所升高,当掺烧比不超过40%时，有效燃油消耗率的增幅在7%以内。掺烧生物柴油时的等效燃油消耗率与B0较为接近，当掺烧比低于40%时，有效燃油消耗率变化范围在-1%～5%，在低转速时低于B0,高转速的略高于B0。从经济性考虑，可掺烧不超过40%生物柴油。

3)掺烧生物柴油会导致NOX排放量升高，当掺烧比低于20%时，增幅不超过10%。掺烧生物柴油对于发动机的烟度、CO排放控制具有显著效果，烟度的降幅可达50%，CO的降幅可达40%。此外，掺烧生物柴油对于发动机的HC排放控制也具有一定作用。从发动机的排放性能考虑，掺烧20%以下的生物柴油对于发动机排放控制具有正面作用。

4)综合考虑以上各项因素，生物柴油的掺烧比低于20% 时对双通道镶块涡流燃烧室柴油发动机的综合性能提升具有推动作用，具有推广应用价值。

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The comprehensive performance research on the two-channel insert block swirl chamber diesel engine with blending combustion of biodiesel

YUAN Wenhua,LI Hong,WU Hao,MA Chuanwu,MA Yi

(Department of Mechanical and Energy Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China)

The structure of two-channel insert block have an improvement on the performance of swirl chamber diesel engine. Do biodiesel blending test based on that structure, to get the performance on power,BSFC,smoke emission,NOXemission and HC emission, analysis the influence laws of blending ratio on the performance. The results show that the blending combustion makes the power reduce, and the degree increase with the blend ratio. When the blending ratio is under 30 percent, the effects on the engine power is weak. the blending combustion makes the effective fuel consumption increase, but the equivalent fuel consumption is decreased. The blending combustion have a positive effect on the control of smoke,HC and CO emission. When the blending ratio is no more than 20 percent, the NOXemission is close to the NOXemission when engine use pure diesel fuel .

two-channel insert block;biodiesel;blend ratio;equivalent consumption;smoke

1672-7010(2017)02-0061-08

2017-03-01

邵阳学院研究生科研创新项目(CX2015Y030);国家自然科学基金资助项目(91541121)；邵阳市科技计划项目(2016GX01)。

袁文华(1963-),男，湖南新邵人，教授、博士，从事发动机燃烧技术研究，E-mail：ywh6308@163.com

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